CN114574798B - 一种高应变容限抗烧结热障涂层结构设计与制备方法 - Google Patents

一种高应变容限抗烧结热障涂层结构设计与制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热障涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。本发明提供的热障涂层是双层结构，包括附着于金属粘结层表面的中间层和顶层；所述中间层由YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成，所述顶层由Yb‑Gd共掺杂YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成；所述中间层与金属粘结层表面接触，所述顶层直接暴露于高温燃气环境。本发明提供的热障涂层具有低热导率、优异的抗烧结性能以及较长的使用寿命。

Description

一种高应变容限抗烧结热障涂层结构设计与制备方法
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，尤其涉及一种热障涂层及其制备方法和应用。
背景技术
热障涂层通常是指运用于航空发动机和地面燃气轮机涡轮叶片及其他热区的涂层体系，可以阻断金属部件与热气流的直接接触，承担着降低金属部件的温度，保护金属部件不受高温气流的腐蚀和氧化，提高热机工作效率和服役寿命的作用。现有的热障涂层系统可以在合金部件的外表面形成100～300℃的温度梯度，结合先进的气冷系统，可保证高温合金部件在高于其熔点(1300℃)的环境中安全工作。此外，在长时间高温服役的过程中，陶瓷层的热学性能和力学性能都会出现一定程度的退化，造成热防护能力下降，涂层开裂甚至剥落，严重威胁设备的安全性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热障涂层及其制备方法，本发明提供的热障涂层具有低热导率、优异的抗烧结性能以及较长的使用寿命。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种热障涂层，包括附着于金属粘结层表面的中间层和顶层；所述中间层由YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成，所述顶层由Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成；所述中间层与金属粘结层表面接触，所述顶层直接暴露于高温燃气环境。
优选的，所述中间层的厚度为50～100μm；所述顶层的厚度为100～300μm。
优选的，所述YSZ多孔微球中Y2O3的质量含量为6～8％。
优选的，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球中：Yb、Gd和YSZ的摩尔比为(1～2)：(1～2)：3，所述YSZ中Y2O3的质量含量为6～8％。
优选的，所述YSZ多孔微球和Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的球径独立地为50～100μm；所述YSZ多孔微球和Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球均具有层级多孔结构，微球中心部为海绵状圆孔，海绵孔尺寸为0.1～10μm，向表面逐渐过渡为辐射状的指状孔，所述指状孔的尺寸为10～40μm，所述YSZ多孔微球的孔隙率为40～60％；所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的孔隙率为40～60％。
优选的，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的制备方法包括以下步骤：
将Yb-Gd共掺杂YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮混合，得到电喷溶液；
将所述电喷溶液加入到电喷针筒中进行静电喷雾，接收槽内盛满水，在接收槽中得到微球生坯；
将所述微球生坯干燥后进行烧结，得到YSZ多孔微球。
优选的，所述YSZ多孔微球的制备方法包括以下步骤：
将YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮混合，得到电喷溶液；
将所述电喷溶液加入到电喷针筒中进行静电喷雾，接收槽内盛满水，在接收槽中得到微球生坯；
将所述微球生坯干燥后进行烧结，得到YSZ多孔微球。
本发明提供了上述方案所述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
在金属粘结层表面进行第一大气等离子喷涂YSZ多孔微球，形成中间层；
在所述中间层表面进行第二大气等离子喷涂Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，形成顶层，得到热障涂层。
优选的，所述第一大气等离子喷涂和第二大气等离子喷涂的基体温度独立地为200～400℃，喷枪与基体距离独立地为100～200mm，喷枪移动速度独立地为300～1000mm/s，送粉速率独立地为10～70g/min，送粉气流独立地为0.5～1.2L/min，电压独立地为100～180V，喷涂电流独立地为200～250A，Ar流速独立地为40～120L/min，H2流速独立地为15～45L/min。
优选的，进行第一大气等离子喷涂YSZ多孔微球前，还包括对所述金属粘结层表面进行喷砂处理。
本发明提供了一种热障涂层，包括附着于金属粘结层表面的中间层和顶层；所述中间层由YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成，所述顶层由Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成；所述中间层与金属粘结层表面接触，所述顶层直接暴露于高温燃气环境。
本发明以Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球层作为顶层，顶层的热导率低，降低了热障涂层的热导率，提高了热障涂层的使用寿命。此外，本发明的多孔微球相比中空微球，具有更低的热导率，可以阻碍热流从微球表面向内部的传输，降低了微球在等离子体焰流中的熔化程度，未熔化的微球结构保留在涂层之中形成涂层内部的疏松多孔区域(多孔微球烧结温度越高，未熔化的微球结构在等离子体焰流中保留程度越高)。热障涂层在烧结过程中，疏松多孔区域的收缩速率高于致密区域的收缩速率，导致在两个区域的界面处生成了新的难以愈合的大孔，从而使得热障涂层具有较高的抗烧结性能。
此外，本发明热障涂层在使用过程中，大孔的生成与裂纹和微孔的烧结愈合相互平衡，使得热障涂层在烧结后仍维持较高的孔隙率，从而大大降低热障涂层的透过率，在高温下，低透过率可以有效降低红外透过传热量，具有抗红外辐射性能。新生大孔的取向与涂层表面的方向一致，与热流的传输方向垂直，因此新生大孔可以有效地抑制热流通过涂层，降低片层之间的连通率，从而使得热障涂层在长时间烧结后仍然具有较低的热导率，进而具有长的使用寿命。
本发明采用的多孔微球的破碎行为符合蜂巢结构的平面外压缩模型，在破碎过程消耗比中空结构微球更多的破碎能。因此，保留在疏松多孔区域的未熔化微球可以通过两种机制提高热障涂层的服役寿命。一方面，疏松多孔结构可以通过变形和内部结构的破碎消耗涂层中的应变能，进而降低涂层在平面应力作用下的应变能释放率和裂纹萌生与传播的驱动能。另一方面陶瓷层与热生长氧化层界面附近的疏松多孔区域可以与裂纹发生相互作用，释放应力场，促进裂纹偏转，抑制裂纹扩展成为可能引发涂层开裂的危险裂纹，从而具有更高的工作温度和高应变容限。
附图说明
图1为对实施例1所用的YSZ多孔微球的截面SEM图；
图2为对比例1所用YSZ中空微球的截面SEM图；
图3为实施例3制备的多孔的热障涂层顶层在不同温度烧结后微观结构的演化图。
具体实施方式
本发明提供了一种热障涂层，包括附着于金属粘结层表面的中间层和顶层；所述中间层由YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成，所述顶层由Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成；所述中间层与金属粘结层表面接触，所述顶层直接暴露于高温燃气环境。
本发明对所述金属粘结层没有特殊的要求，本领域熟知的金属粘结层均可。在本发明的实施例中，所述金属粘结层具体为NiCoCrAlY。本发明对所述金属粘结层的厚度没有特殊要求，本领域熟知的厚度均可。在本发明中，所述金属粘结层附着与基体表面。
本发明提供的热障涂层包括附着于金属粘结层表面的中间层。
在本发明中，所述中间层的厚度优选为50～100μm，更优选为60～90μm。在本发明中，所述中间层由YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成。在本发明中，YSZ指的是Y2O3稳定的ZrO2，此为本领域公知常识。在本发明中，所述YSZ多孔微球中Y2O3的质量含量优选为6～8％，更优选为7％。在本发明中，所述YSZ多孔微球的球径优选为50～100μm，更优选为60～90μm。在本发明中，所述YSZ多孔微球优选具有层级多孔结构，微球中心部为海绵状孔，海绵孔尺寸优选为0.1～10μm，向表面逐渐过渡为辐射状的指状孔，所述指状孔的尺寸优选为10～40μm，所述YSZ多孔微球的孔隙率优选为40～60％。
在本发明中，所述YSZ多孔微球的制备方法优选包括以下步骤：
将YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮混合，得到电喷溶液；
将所述电喷溶液加入到电喷针筒中进行静电喷雾，接收槽内盛满水，在接收槽中得到微球生坯；
将所述微球生坯干燥后进行烧结，得到YSZ多孔微球。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
本发明将YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮混合，得到电喷溶液。在本发明中，所述YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮的质量比优选为3:1:6。在本发明中，所述混合优选在油浴和机械搅拌条件下进行。所述油浴的温度优选为50℃，所述机械搅拌的时间优选为24～48h，所述机械搅拌的转速优选为200～400r/min。
得到电喷溶液后，本发明将所述电喷溶液加入到电喷针筒中进行静电喷雾，接收槽内盛满水，在接收槽中得到微球生坯。在本发明中，所述静电喷雾的电源电压优选为10～20kV。
得到微球生坯后，本发明将所述微球生坯干燥后进行烧结，得到YSZ多孔微球。在本发明中，所述干燥的温度优选为常温，所述干燥的时间优选为24～72h。在本发明中，所述烧结优选在空气氛围下进行，所述烧结的温度优选为1100～1400℃，所述烧结的时间优选为1～10h。
本发明提供的热障涂层包括附着于中间层表面的顶层。在本发明中，所述顶层由Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成；所述顶层的厚度优选为100～300μm，更优选为150～250μm。本发明以Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球作为顶层，顶层具有较低的本征热导率，防止热量向内部传递，提高了热障涂层的使用寿命。
在本发明中，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球中Yb、Gd和YSZ的摩尔比优选为(1～2)：(1～2)：3，所述YSZ中Y2O3的质量含量优选为6～8％，更优选为7％。在本发明中，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的球径优选为50～100μm，更优选为60～90μm。在本发明中，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球优选具有层级多孔结构，海绵孔尺寸优选为0.1～10μm，向表面逐渐过渡为辐射状的指状孔，所述指状孔的尺寸优选为10～40μm。在本发明中，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的孔隙率优选为40～60％。
在本发明中，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的制备方法优选与YSZ多孔微球的制备方法步骤相同，不同之处仅在于将YSZ粉末换成Yb-Gd共掺杂YSZ粉末，以及所述烧结的温度为1200～1600℃，烧结时间为1～10h，这里不再赘述。
在本发明中，所述Yb-Gd共掺杂YSZ粉末的制备方法优选包括：以异丙醇或乙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将Yb2O3、Gd2O3和YSZ的按照Yb、Gd和YSZ的摩尔比为(1～2)：(1～2)：3进行球磨和混合，球磨时间为24～48h，球磨速率为1000～4000r/min，球磨完毕后将得到的浆料烘干24h，研磨并过100目筛得到Yb-Gd共掺杂YSZ粉末。
本发明的多孔微球相比中空微球，具有更低的热导率，可以阻碍热流从微球表面向内部的传输，降低了微球在等离子体焰流中的熔化程度，未熔化的微球结构保留在涂层之中形成涂层内部的疏松多孔区域(多孔微球烧结温度越高，未熔化的微球结构在等离子体焰流中保留程度越高)。热障涂层在烧结过程中，疏松多孔区域的收缩速率高于致密区域的收缩速率，导致在两个区域的界面处生成了新的难以愈合的大孔，从而使得热障涂层具有较高的抗烧结性能。
此外，本发明热障涂层在使用过程中，大孔的生成与裂纹和微孔的烧结愈合相互平衡，使得热障涂层在烧结后仍维持较高的孔隙率，从而大大降低热障涂层的透过率，在高温下，低透过率可以有效降低红外透过传热量，具有抗红外辐射性能。新生大孔的取向与涂层表面的方向一致，与热流的传输方向垂直，因此新生大孔可以有效地抑制热流通过涂层，降低片层之间的连通率，从而使得热障涂层在长时间烧结后仍然具有较低的热导率，进而具有长的使用寿命。
本发明采用的多孔微球的破碎行为符合蜂巢结构的平面外压缩模型，在破碎过程消耗比中空结构微球更多的破碎能。因此，保留在疏松多孔区域的未熔化微球可以通过两种机制提高热障涂层的服役寿命。一方面，疏松多孔结构可以通过变形和内部结构的破碎消耗涂层中的应变能，进而降低涂层在平面应力作用下的应变能释放率和裂纹萌生与传播的驱动能。另一方面陶瓷层与热生长氧化层界面附近的疏松多孔区域可以与裂纹发生相互作用，释放应力场，促进裂纹偏转，抑制裂纹扩展成为可能引发涂层开裂的危险裂纹，从而具有更高的工作温度和高应变容限。
本发明提供了上述方案所述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
在金属粘结层表面进行第一大气等离子喷涂YSZ多孔微球，形成中间层；
在所述中间层表面进行第二大气等离子喷涂Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，形成顶层，得到热障涂层。
在本发明中，所述金属粘结层优选附着于基体表面。本发明优选对所述基体进行粗化处理，得到粗化基体；然后在所述粗化基体表面制备金属粘结层。
本发明对所述基体的种类没有特殊要求，本领域技术人员可以根据实际需要选择。所述粗化处理前，本发明优选对基体进行去油处理。本发明对所述去油处理的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的去油过程即可。在本发明中，所述粗化处理优选为：采用颗粒粒径为60～120目的Al2O3对基体进行喷砂处理。本发明对基体进行粗化处理是为了提高基体与金属粘结层的结合力。在本发明中，所述金属粘结层优选为NiCoCrAlY。本发明对所述金属粘结层的制备过程没有特殊要求，采用本领域熟知的方法制备金属粘结层即可，具体的如大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂。本发明利用金属粘结层缓解陶瓷层和合金基体间的热膨胀不匹配，增加两者的相容性。
得到金属粘结层后，本发明优选对所述金属粘结层表面进行喷砂处理，然后再进行第一大气等离子喷涂YSZ多孔微球，形成中间层。
本发明对所述喷砂处理的过程没有特殊要求，确保喷砂处理后金属粘结层表面粗糙度Ra为1～15μm即可。
在本发明中，所述第一大气等离子喷涂的条件包括：基体温度优选为200～400℃，更优选为250～350℃；喷枪与基体距离优选为100～200mm，更优选为120～180mm；喷枪移动速度优选为300～1000mm/s，更优选为400～800mm/s；送粉速率优选为10～70g/min，更优选为20～60g/min；送粉气流优选为0.5～1.2L/min，更优选为0.6～1.0L/min；电压优选为100～180V，更优选为120～160V；喷涂电流优选为200～250A，更优选为210～240A；Ar流速优选为40～120L/min，更优选为50～100L/min；H2流速优选为15～45L/min，更优选为20～40L/min。
形成中间层后，本发明在所述中间层表面第二大气等离子喷涂Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，形成顶层，得到热障涂层。
在本发明中，所述第二大气等离子喷涂的条件包括：基体温度优选为200～400℃，更优选为250～350℃；喷枪与基体距离优选为100～200mm，更优选为120～180mm；喷枪移动速度优选为300～1000mm/s，更优选为400～800mm/s；送粉速率优选为10～70g/min，更优选为20～60g/min；送粉气流优选为0.5～1.2L/min，更优选为0.6～1.0L/min；电压优选为100～180V，更优选为120～160V；喷涂电流优选为200～250A，更优选为210～240A；Ar流速优选为40～120L/min，更优选为50～100L/min；H2流速优选为15～45L/min，更优选为20～40L/min。
下面结合实施例对本发明提供的热障涂层及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
1、实施例1所用YSZ多孔微球的制备方法如下：
(1)电喷溶液的制备：YSZ粉末(8wt％Y2O3稳定的ZrO2)与聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮按质量比为3：1：6混合，采用油浴加热结合机械搅拌的方式使其完全混合均匀，油浴温度为50℃，搅拌时间为24h，搅拌棒的转速为200r/min，消除纳米粉末之间的物理团聚，得到均匀的粉末悬浮液，待充分搅拌后冷却至室温，得到电喷微球的电喷溶液；
(2)静电喷雾：将配制好的电喷溶液加入到电喷针筒中，将电源电压调节为10kV，接收槽内盛满水，进行静电喷雾，在收集槽中得到微球生坯；
(3)烧结：用布氏漏斗过滤微球生坯，常温下干燥24h，空气气氛下高温烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为2h，过筛得YSZ多孔微球，粒径为100μm，成分为8wt％Y2O3稳定的ZrO2。
实施例1所用Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的制备方法如下：
(1)粉末的制备：以异丙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将Yb2O3、Gd2O3和YSZ按照Yb、Gd和YSZ的摩尔比为2：2：3进行球磨和混合，球磨时间为24h，球磨速率为1000r/min，球磨完毕后将得到的浆料烘干24h，研磨并过100目筛得到混合粉末。(2)电喷溶液的制备：将步骤(1)中得到的粉末与聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮按质量比为3：1：6混合，采用油浴加热综合机械搅拌的方式使其完全混合均匀，油浴温度为50℃，搅拌时间为24h，搅拌棒的转速为200r/min，消除纳米粉末之间的物理团聚，得到均匀的粉末悬浮液，待充分搅拌后冷却至室温，得到电喷微球的电喷溶液。(3)静电喷雾：将配制好的电喷溶液加入到电喷针筒中，将电源电压调节为10kV，接收槽内盛满水，进行静电喷雾，在收集槽中得到微球生坯。(4)烧结：用布氏漏斗过滤微球生坯，常温下干燥24h，空气气氛下高温烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为1h，过筛即得Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，粒径为70μm，成分为Yb：Gd：YSZ摩尔比为2：2：3。
2、实施例2所用YSZ多孔微球的制备方法如下：
(1)电喷溶液的制备：YSZ粉末(6wt％Y2O3稳定的ZrO2)与聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮按质量比为3：1：6混合，采用油浴加热结合机械搅拌的方式使其完全混合均匀，油浴温度为50℃，搅拌时间为36h，搅拌棒的转速为300r/min，消除纳米粉末之间的物理团聚，得到均匀的粉末悬浮液，待充分搅拌后冷却至室温，得到电喷微球的电喷溶液。(2)静电喷雾：将配制好的电喷溶液加入到电喷针筒中，将电源电压调节为15kV，接收槽内盛满水，进行静电喷雾，在收集槽中得到微球生坯。(3)烧结：用布氏漏斗过滤微球生坯，常温下干燥36h，空气气氛下高温烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为5h，过筛即得YSZ多孔微球，成分为6wt％Y2O3稳定的ZrO2，粒径为70μm；
实施例2所用Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的制备方法如下：
(1)粉末的制备：以异丙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将Yb2O3、Gd2O3和YSZ按照Yb、Gd和YSZ的摩尔比为1：2：3进行球磨和混合，球磨时间为36h，球磨速率为2000r/min，球磨完毕后将得到的浆料烘干24h，研磨并过100目筛得到混合粉末。(2)电喷溶液的制备：将步骤(1)中得到的粉末与聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮按质量比为3：1：6混合，采用油浴加热综合机械搅拌的方式使其完全混合均匀，油浴温度为50℃，搅拌时间为36h，搅拌棒的转速为300r/min，消除纳米粉末之间的物理团聚，得到均匀的粉末悬浮液，待充分搅拌后冷却至室温，得到电喷微球的电喷溶液。(3)静电喷雾：将配制好的电喷溶液加入到电喷针筒中，将电源电压调节为15kV，接收槽内盛满水，进行静电喷雾，在收集槽中得到微球生坯。(4)烧结：将微球生坯的烧结用布氏漏斗过滤微球生坯，常温下干燥48h，空气气氛下高温烧结，烧结温度为1400℃，烧结时间为2h，即得Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，成分为Yb：Gd：YSZ摩尔比为1：2：3，粒径为50μm。
3、实施例3所用YSZ多孔微球的制备方法如下：
(1)电喷溶液的制备：YSZ粉末与聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮按质量比为3：1：6混合，采用油浴加热综合机械搅拌的方式使其完全混合均匀，油浴温度为50℃，搅拌时间为48h，搅拌棒的转速为400r/min，消除纳米粉末之间的物理团聚，得到均匀的粉末悬浮液，待充分搅拌后冷却至室温，得到电喷微球的电喷溶液。(2)静电喷雾：将配制好的电喷溶液加入到电喷针筒中，将电源电压调节为20kV，接收槽内盛满水，进行静电喷雾，在收集槽中得到微球生坯。(3)烧结：将微球生坯的烧结用布氏漏斗过滤微球生坯，常温下干燥72h，空气气氛下高温烧结，烧结温度为1400℃，烧结时间为10h，过筛即得YSZ多孔微球，成分为7wt％Y2O3稳定的ZrO2，粒径为50μm。
实施例3所用Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的制备方法如下：
(1)粉末的制备：以乙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将Yb2O3、Gd2O3和YSZ按照Yb、Gd和YSZ的摩尔比为1：1：3进行球磨和混合，球磨时间为48h，球磨速率为4000r/min，球磨完毕后将得到的浆料烘干24h，研磨并过100目筛得到混合粉末。(2)电喷溶液的制备：将步骤(1)中得到的粉末与聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮按质量比为3：1：6混合，采用油浴加热综合机械搅拌的方式使其完全混合均匀，油浴温度为50℃，搅拌时间为48h，搅拌棒的转速为400r/min，消除纳米粉末之间的物理团聚，得到均匀的粉末悬浮液，待充分搅拌后冷却至室温，得到电喷微球的电喷溶液。(3)静电喷雾：将配制好的电喷溶液加入到电喷针筒中，将电源电压调节为20kV，接收槽内盛满水，进行静电喷雾，在收集槽中得到微球生坯。(4)烧结：将微球生坯的烧结用布氏漏斗过滤微球生坯，常温下干燥72h，空气气氛下高温烧结，烧结温度为1600℃，烧结时间为10h，即得Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，粒径为成分为Yb：Gd：YSZ摩尔比为1：1：3，粒径为100μm。
4、对比例1所用的为YSZ中空微球，成分为7wt％Y2O3稳定的ZrO2，粒径为70μm。
实施例1
对金属基体用颗粒粒径为120目的Al2O3，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度，得到粗化基体；
通过大气等离子喷涂技术在金属基体上引入NiCoCrAlY金属粘结层；
对金属粘结层进行喷砂处理，所用Al2O3颗粒粒径为120目，获得粗糙度为10μm；
通过大气等离子喷涂在喷砂后的金属粘结层上依次沉积厚度为50μm的YSZ中间层(成分为8wt％Y2O3稳定的ZrO2)和厚度为100μm的Yb-Gd共掺杂YSZ顶层陶瓷层(成分为Yb：Gd：YSZ摩尔比为2：2：3)。
大气等离子喷涂参数：基体温度范围为400℃，喷枪与基体距离为100mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压为180V，喷涂电流为200A，Ar气流速为40L/min，H2气流速为15L/min。
实施例2
对金属基体用颗粒粒径为60目的Al2O3，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度，得到粗化基体；
通过大气等离子喷涂技术在金属基体上引入NiCoCrAlY金属粘结层；
对金属粘结层进行喷砂处理，所用Al2O3颗粒粒径为80目，获得粗糙度为15μm；
通过大气等离子喷涂在喷砂后的金属粘结层上依次沉积厚度为50μm的YSZ中间层(成分为6wt％Y2O3稳定的ZrO2)和厚度为200μm的Yb-Gd共掺杂YSZ顶层陶瓷层(成分为Yb：Gd：YSZ摩尔比为1：2：3)；
大气等离子喷涂参数：基体温度为200℃，喷枪与基体距离为100mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压为180V，喷涂电流为200A，Ar气流速为40L/min，H2气流速范围为15L/min。
实施例3
对金属基体用颗粒粒径为80目的Al2O3，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度，得到粗化基体；
通过大气等离子喷涂技术在金属基体上引入NiCoCrAlY金属粘结层；
对金属粘结层进行喷砂处理，所用Al2O3颗粒粒径为60目，获得粗糙度为1μm；
通过大气等离子喷涂在喷砂后的金属粘结层上依次沉积厚度为100μm的YSZ中间层(成分为7wt％Y2O3稳定的ZrO2)和厚度为150μm的Yb-Gd共掺杂YSZ顶层陶瓷层(成分为Yb：Gd：YSZ摩尔比为1：1：3)；
大气等离子喷涂参数：基体温度为200℃，喷枪与基体距离为100mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压为140V，喷涂电流为200A，Ar气流速为40L/min，H2气流速为15L/min。
对比例1
对金属基体用颗粒粒径为80目的Al2O3，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度，得到粗化基体；
通过大气等离子喷涂技术在金属基体上引入NiCoCrAlY金属粘结层；
对金属粘结层进行喷砂处理，所用Al2O3颗粒粒径为60目，获得粗糙度为1μm；
通过大气等离子喷涂在喷砂处理后的粘结层上沉积厚度为200μm的YSZ陶瓷层，成分为7wt％Y2O3稳定的ZrO2，粒径为70μm的中空微球。
大气等离子喷涂参数：基体温度为200℃，喷枪与基体距离为100mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压为140V，喷涂电流为200A，Ar气流速为40L/min，H2气流速为15L/min。
结构表征及性能测试：
1、对实施例1所用的YSZ多孔微球的截面进行SEM观察，结果如图1所示，由图1可知，微球具有层级多孔结构，微球中心部为海绵状圆孔，海绵孔尺寸为0.1～10μm，向表面逐渐过渡为辐射状的椭圆形指状孔，指状孔尺寸为10-40μm.。
2、对对比例1所用YSZ中空微球的截面进行SEM观察，结果如图2所示，由图2可知，中空结构孔形式单一，内部是空腔，无复杂的多孔结构。
3、图3为实施例3制备的多孔的热障涂层顶层在不同温度烧结后微观结构的演化图；烧结过程中涂层微观结构的演化：涂层中的疏松多孔区域经(A)1200℃烧结128h和(B)1400℃烧结8h后的形貌；新型涂层中的致密区经(C)1200℃烧结8h后和(D)1400℃烧结2h后的形貌；涂层经(E)1200℃烧结8h后和(F)1400℃烧结2h后的形貌。图中虚线圈出了烧结后的疏松多孔区域，箭头指出了烧结后跨越微裂纹的桥连。(A)和(B)清楚地显示了疏松多孔区在烧结后的形态变化，经过1200℃烧结128h后，疏松多孔区内致密化程度增加，纳米和亚微米颗粒消失，微孔减少，平均孔径有所增加；在经过1400℃烧结8h后，疏松多孔区内的亚微米级孔隙完全消失，区域内孔隙的尺寸可达几个微米，在原疏松多孔区与致密区的界面处出现了新的大尺寸孔隙。
4、对实施例1～3及对比例1制备的热障涂层进行性能测试，测试结果如表1所示，测试方法如下：
热障涂层寿命测试：热循环测试表征涂层的使用寿命。热循环实验采用尺寸为10mm×10mm的含金属基体的热障涂层样品，单个循环周期为24h。在每个周期中，首先将处于室温下的样品置于1150℃的马弗炉中，样品在炉内快速升至炉腔温度，然后保温23.5h，之后将样品从炉中取出，在室温状态下空冷20min后进入下一循环周期。当样品表面超过10％的区域发生剥落时，即判定该样品失效，退出热循环实验。为保证实验数据的准确性，取20个涂层样品进行热循环实验。
孔隙率测试：图像分析法(Image analysis method)，借助开源图形处理软件(ImageJ)对图像进行分割，提取孔隙的相关信息，对微球和涂层的孔隙率进行量化分析。
透过率：紫外可见光近红外分光光度计测试材料的透射光谱。
表1实施例1～3及对比例1热障涂层的性能数据
Figure BDA0003579019370000131
由以上实施例和对比例的结果可知，本发明制备的热障涂层相比传统涂层具有更高的孔隙率和低透过率，具有优异的抗烧结性能以及3倍于传统涂层(对比例1)寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种热障涂层，其特征在于，包括附着于金属粘结层表面的中间层和顶层；所述中间层由YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成，所述顶层由Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球经大气等离子喷涂形成；所述中间层与金属粘结层表面接触，所述顶层直接暴露于高温燃气环境；
所述YSZ多孔微球和Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的球径独立地为50～100μm；所述YSZ多孔微球和Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球均具有层级多孔结构，微球中心部为海绵状圆孔，海绵孔尺寸为0.1～10μm，向表面逐渐过渡为辐射状的指状孔，所述指状孔的尺寸为10～40μm；所述YSZ多孔微球的孔隙率为40～60％；所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的孔隙率为40～60％。
2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述中间层的厚度为50～100μm；所述顶层的厚度为100～300μm。
3.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述YSZ多孔微球中Y2O3的质量含量为6～8％。
4.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球中：Yb、Gd和YSZ的摩尔比为(1～2)：(1～2)：3，所述YSZ中Y2O3的质量含量为6～8％。
5.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球的制备方法包括以下步骤：
将Yb-Gd共掺杂YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮混合，得到电喷溶液；
将所述电喷溶液加入到电喷针筒中进行静电喷雾，接收槽内盛满水，在接收槽中得到微球生坯；
将所述微球生坯干燥后进行烧结，得到Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球。
6.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述YSZ多孔微球的制备方法包括以下步骤：
将YSZ粉末、聚醚砜与N-甲基吡咯烷酮混合，得到电喷溶液；
将所述电喷溶液加入到电喷针筒中进行静电喷雾，接收槽内盛满水，在接收槽中得到微球生坯；
将所述微球生坯干燥后进行烧结，得到YSZ多孔微球。
7.权利要求1～6任一项所述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
在金属粘结层表面进行第一大气等离子喷涂YSZ多孔微球，形成中间层；
在所述中间层表面进行第二大气等离子喷涂Yb-Gd共掺杂YSZ多孔微球，形成顶层，得到热障涂层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一大气等离子喷涂和第二大气等离子喷涂的基体温度独立地为200～400℃，喷枪与基体距离独立地为100～200mm，喷枪移动速度独立地为300～1000mm/s，送粉速率独立地为10～70g/min，送粉气流独立地为0.5～1.2L/min，电压独立地为100～180V，喷涂电流独立地为200～250A，Ar流速独立地为40～120L/min，H流速独立地为15～45L/min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，进行第一大气等离子喷涂YSZ多孔微球前，还包括对所述金属粘结层表面进行喷砂处理。
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